基于流體力學的尾氣能源再利用技術淺析

李智 周禮豪 李杭鍵 梁壯 陳禹州

摘要：本文介紹了一種將尾氣蘊含的壓力轉化為電能的設備，在機動車現有的排氣管銜接處加裝渦輪、電機等設備完成能量轉換，配合鋰電池進行能量儲存。

關鍵詞：渦輪;尾氣壓強;齒輪機構

機動車的尾氣排放過程中，大部分的機動車沒有利用尾氣中蘊含的高壓高溫能量，燃油在發動機中燃燒后產生的氣體被直接排出。目前市場上的尾氣處理裝置一般是對有害氣體進行化學催化反應，將其轉化為無害氣體，然而其蘊含的物理能量并沒有得到利用。針對這個問題，本文介紹了一種將尾氣蘊含的壓力轉化為電能的設備，在機動車現有的排氣管銜接處加裝渦輪、電機等設備完成能量轉換，配合鋰電池進行能量儲存。

渦輪是一種將流動工質的能量轉換為機械功的旋轉式動力機械。渦輪工作輪由均勻分部的七只葉片組成，在整個機構中作為原動機構提供機械能，軸作為傳動機構聯接渦輪與電機，將機械能轉化為電能。因渦輪受到較強沖擊載荷，需耐高溫，一般采用中等淬透性鋼作為原材料[1]。

設備整體結構簡圖如圖1。渦輪與軸的聯接處需承受較大轉矩，整體結構在軸向上嚴格限制移動距離，為增加機構的穩定性，鍵與鍵槽之間的配合采用過盈配合，該機構中的鍵聯接需承受沖擊載荷，聯接在高速轉動、振動等情況下不受影響，并要求準確定心。因此機構聯接方式采用平鍵聯接。

在傳動軸的末端聯接齒輪與電機軸上齒輪嚙合，利用齒輪傳動的方式進行機械能與電能的轉換。本機構中的齒輪供內燃機車使用，精度等級為6級，動力齒輪傳動的最大圓周速度不超過15m/s，因采用直齒輪傳動，分度圓螺旋角為0度，壓力角a=20度，分度圓直徑d=mz。主動輪轉速n1，與從動輪轉速n2之比即為傳動比，用i表示。

整體結構的工作流程如圖2：利用出缸尾氣蘊含的壓強能量，推動渦輪旋轉，傳動軸將渦輪產生的動能傳導在齒輪機構上，齒輪機構與電機傳動軸進行的能量轉換產生的電能儲存在蓄電池中，在機動車處于惡劣工況的情況下可使用電能節省燃油[2]。

傳動軸與電機軸的傳動采用直齒圓柱齒輪傳動的方式，齒輪在傳動過程中受圓周力、徑向力、軸向力。

渦輪葉片在受到沖擊時旋轉做功，機械能傳導在電機上，電機開始發電，通過正負極導線將電能引出，儲存在蓄電池中。渦輪葉片的半徑、寬度、機械效率為恒定不變的值，其產生的機械能由進出口壓差決定。在能量轉化過程中，能量損耗組成為電熱、機械損耗、齒輪損耗、電機損耗[3]。

通過以上的機構組合，可達到尾氣壓強轉化為電能的目的。渦輪機構受壓強的推動而旋轉，傳動軸機構、齒輪機構、機械能傳導在電機軸上，電機旋轉切割磁感線產生電能，通過導線將電能儲存在蓄電池中，在機動車處于惡劣工況時為其提供電能，為用電器供電，實現節約電能的作用。

參考文獻：

[1] 邱宣懷.機械設計（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]周憶，于今.流體傳動與控制[M].北京：科學出版社，2008.